Tekninen hiili, sen tuotanto

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-17 18:49

Hiilimusta (GOST 7885-86) on eräänlainen teollinen hiilituote, jota käytetään pääasiassa kumin valmistuksessa täyteaineena, joka parantaa sen hyödyllisiä suorituskykyominaisuuksia. Toisin kuin koksi ja pike, se koostuu melkein yhdestä hiilestä, se näyttää noelta.

Soveltamisala

Noin 70 % tuotetusta nokimustasta käytetään renkaiden valmistukseen, 20 % - kumituotteiden valmistukseen. Myös teknistä hiiltä käytetään maalien ja lakkojen valmistuksessa sekä painomusteiden valmistuksessa, missä se toimii mustana pigmenttinä.

Toinen käyttöalue on muovien ja kaapelivaippojen valmistus. Tässä tuote lisätään täyteaineena ja antaa tuotteille erityisiä ominaisuuksia. Hiilimustaa käytetään pieninä määrinä myös muilla teollisuudenaloilla.

Ominaisuus

Hiilimusta on tuote prosessista, joka sisältää uusimmat suunnittelu- ja ohjaustekniikat. Puhtautensa ja tiukasti määritellyn sarjan ansiostafysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, sillä ei ole mitään tekemistä noen kanssa, joka syntyy saastuneena sivutuotteena hiilen ja polttoöljyn polttamisesta tai säätelemättömien polttomoottoreiden toiminnasta. Yleisesti hyväksytyn kansainvälisen luokituksen mukaan hiilimustaa kutsutaan nimellä Carbon Black (englanniksi käännetty musta hiili), englanniksi noki on noki. Toisin sanoen näitä käsitteitä ei tällä hetkellä sekoiteta millään tavalla.

Kumien täytön hiilimustalla aiheuttaman lujitteen vaikutus oli kumiteollisuuden kehityksen kann alta yhtä tärkeä kuin kumin vulkanoitumisen rikillä ilmiön löytäminen. Kumiyhdisteissä useista painon mukaan käytetyistä ainesosista peräisin oleva hiili on toisella sijalla kumin jälkeen. Nokimustan laatuindikaattoreiden vaikutus kumituotteiden ominaisuuksiin on paljon suurempi kuin pääainesosan - kumin - laatuindikaattoreiden.

Ominaisuuksien vahvistaminen

Materiaalin fysikaalisten ominaisuuksien parantamista lisäämällä täyteainetta kutsutaan vahvistukseksi (vahvistukseksi), ja tällaisia täyteaineita kutsutaan vahvistimiksi (hiilimusta, saostettu piioksidi). Kaikkien vahvistimien joukossa teknisellä hiilellä on todella ainutlaatuisia ominaisuuksia. Jo ennen vulkanointia se sitoutuu kumiin, eikä tätä seosta voida täysin erottaa nokimustaksi ja kumiksi liuottimilla.

Kumien lujuus tärkeimpiin elastomeereihin perustuen:

Elastomeeri	Vetolujuus, MPa
	Täyttämätön vulkanointi	Vulkanoi hiilimustalla
Styreenibutadieenikumi	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Polyakrylaattikumi	2, 1	17, 6
Polybutadieenikumi	5, 6	21, 1

Taulukko näyttää erityyppisistä kumeista ilman täyttöä saatujen ja hiilimustalla täytettyjen vulkanisaattien ominaisuudet. Yllä olevasta tiedosta voidaan nähdä, kuinka hiilitäyttö vaikuttaa merkittävästi kumin vetolujuuteen. Muuten, muilla dispergoiduilla jauheilla, joita käytetään kumiyhdisteissä halutun värin saamiseksi tai seoksen kustannusten alentamiseen - liidulla, kaoliinilla, talkilla, rautaoksidilla ja muilla ei ole vahvistavia ominaisuuksia.

Rakenne

Puhtaita luonnonhiiltä ovat timantit ja grafiitti. Niillä on kiderakenne, joka eroaa merkittävästi toisistaan. Luonnollisen grafiitin ja keinotekoisen materiaalin noen rakenteen samank altaisuus todettiin röntgendiffraktiolla. Grafiitin hiiliatomit muodostavat suuria kerroksia kondensoituneita aromaattisia rengasjärjestelmiä, joiden välinen etäisyys on 0,142 nm. Nämä grafiittikerroksetkondensoituja aromaattisia järjestelmiä kutsutaan perustasoiksi. Tasojen välinen etäisyys on tiukasti määritelty ja se on 0,335 nm. Kaikki kerrokset ovat yhdensuuntaisia toistensa kanssa. Grafiitin tiheys on 2,26 g/cm3.

Toisin kuin grafiitilla, jolla on kolmiulotteinen järjestys, tekniselle hiilelle on ominaista vain kaksiulotteinen järjestys. Se koostuu hyvin kehittyneistä grafiittitasoista, jotka sijaitsevat suunnilleen samansuuntaisesti toistensa kanssa, mutta ovat siirtyneet vierekkäisiin kerroksiin - eli tasot on suunnattu mieliv altaisesti suhteessa normaaliin.

Grafiittirakennetta verrataan kuvaannollisesti siististi taitettuun korttipakkaan ja hiilimustan rakennetta korttipakkaan, jossa kortit on siirretty. Siinä tasojen välinen etäisyys on suurempi kuin grafiitilla ja on 0,350-0,365 nm. Siksi hiilimustan tiheys on pienempi kuin grafiitin tiheys ja on alueella 1,76-1,9 g/cm³ merkistä riippuen (useimmiten 1,8 g/cm ^3).

Väritys

Pigmentoituja (värjäys)hiilimustalaatuja käytetään painomusteiden, pinnoitteiden, muovien, kuitujen, paperin ja rakennusmateriaalien tuotannossa. Ne luokitellaan:

• korkeavärinen hiilimusta (HC);
• keskikokoinen (MS);
• normaali väritys (RC);
• matala väri (LC).

Kolmas kirjain osoittaa hankintamenetelmän - uuni (F) tai kanava (C). Esimerkki: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Tuotteen värjäysvoima liittyy sen hiukkaskokoon. Tekninen hiili jaetaan koosta riippuen ryhmiin:

Keskimääräinen hiukkaskoko, nm	Uunin musta laatu
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Luokittelu

Kumin tekninen hiili jaetaan vahvistusvaikutuksen asteen mukaan:

• Erittäin vahvistava (pinta, kova). Sen kestävyys ja hankauskestävyys ovat lisääntyneet. Partikkelikoko on pieni (18-30 nm). Käytetään kuljetinhihnoissa, renkaiden kulutuspinnassa.
• Puolivahvistus (runko, pehmeä). Partikkelikoko on keskimääräinen (40-60 nm). Niitä käytetään erilaisissa kumituotteissa, rengasrungoissa.
• Matala vahvistus. Partikkelikoko on suuri (yli 60 nm). Rajoitettu käyttö rengasteollisuudessa. Tarjoaa tarvittavan lujuuden säilyttäen samalla korkean elastisuuden kumituotteissa.

Täydellinen hiilimustan luokitus on ASTM D1765-03:ssa, jonka kaikki maailmanlaajuiset tuotevalmistajat ja käyttäjät hyväksyvät. Siinä luokitus suoritetaan erityisesti hiukkasten ominaispinta-alan mukaan:

Ryhmä	Keskimääräinen tietty aluepinta typen adsorptiolla, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Nokimustan tuotanto

Teollisen hiilimustan tuottamiseen on kolme tekniikkaa, jotka käyttävät epätäydellistä hiilivetyjen palamiskiertoa:

• uuni;
• kanava;
• putki;
• plasma.

On olemassa myös lämpömenetelmä, joka hajottaa asetyleeniä tai maakaasua korkeissa lämpötiloissa.

Usilla eri tekniikoilla valmistetuilla laatulaaduilla on erilaiset ominaisuudet.

Tuotantotekniikka

Teoriassa on mahdollista saada hiilimustaa kaikilla yllä olevilla menetelmillä, mutta yli 96 % tuotetusta tuotteesta saadaan uunimenetelmällä nestemäisistä raaka-aineista. Menetelmällä on mahdollista saada erilaisia nokimustalaatuja tietyillä ominaisuuksilla. Esimerkiksi Omskin hiilimustatehdas tuottaa tällä tekniikalla yli 20 hiilimustaa.

Yleinen tekniikka on tämä. Reaktoriin, joka on vuorattu erittäin tulenkestävällä materiaalilla, syötetään maakaasua ja ilmaa, joka on lämmitetty 800 °C:seen. Maakaasun palamisen vuoksi muodostuu täydellisen palamisen tuotteita, joiden lämpötila on 1820-1900 ° C ja jotka sisältävät tietyn määrän vapaata happea. Nestemäiset hiilivetyraaka-aineet ruiskutetaan korkean lämpötilan täydellisen palamisen tuotteisiin, sekoitetaan huolellisesti etukäteen ja kuumennetaan 200-300 °C:seen. Raaka-aineiden pyrolyysi tapahtuu tiukasti valvotussa lämpötilassa, jonka arvot vaihtelevat valmistetun noen merkistä riippuen 1400 - 1750 °С.

Tietyllä etäisyydellä raaka-aineiden toimituspaikasta lämpöhapettava reaktio pysäytetään ruiskuttamalla vettä. Pyrolyysin seurauksena muodostuneet hiilimusta ja reaktiokaasut pääsevät ilmanlämmittimeen, jossa ne luovuttavat osan lämmöstään prosessissa käytettävälle ilmalle, kun taas hiili-kaasuseoksen lämpötila laskee 950-1000 °С:sta lämpötilaan. 500-600 °С.

Lisäveden ruiskutuksen ansiosta 260-280 °C:een jäähtymisen jälkeen hiilimustan ja kaasujen seos lähetetään pussisuodattimeen, jossa hiilimusta erotetaan kaasuista ja menee suodatinsuppiloon. Suodatinsäiliöstä erotettu hiilimusta syötetään kaasuputken kautta tuulettimen (turbopuh altimen) avulla rakeistusosaan.

hiilimustan tuottajat

Maailmanlaajuinen hiilimustan tuotanto ylittää 10 miljoonaa tonnia. Tuotteen suuri kysyntä selittyy ennen kaikkea sen ainutlaatuisilla vahvistavilla ominaisuuksilla. Alan veturit ovat:

• Aditya Birla Group (Intia) - noin 15 % markkinoista.
• Cabot Corporation (USA) - 14 % markkinoista.
• Orion Engineered Carbons (Luxemburg) - 9 %

Venäjän suurimmat hiilidioksidin tuottajat:

• Omsktehuglerod LLC – 40 % Venäjän markkinoista. Tehtaat Omskissa, Volgogradissa, Mogilevissä.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.